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大功率半导体激光器具有体积小、重量轻、光电效率高、寿命长及性能稳定等特点,使得它与传统固体及气体激光器相比占有很大优势。但是半导体激光阵列由于自身结构因素的限制使其输出光束在平行与垂直于PN结方向上的光束参数(发散角、束腰半径)相差较大,限制了它在许多领域的直接应用。因此改善半导体激光阵列在快慢轴方向的光束分布特性及光束质量对于扩展其应用具有重要意义。
本文首先采用厄米-高斯模型和超高斯模型对半导体激光器(折射率导引型和增益导引型)输出光束分布特性及光束传输进行了分析与描述,并在此基础上提出了对半导体激光阵列采用非相干光束整形的思想。
然后本文对大功率半导体激光阵列的光束质量进行了详细的评价与分析,并设计了一种能够有效改善其光束质量的非相干光束整形方法。在对结构进行优化设计后,我们利用ZEMAX软件对此进行了模拟,得到了理论上的整形结果。在此基础上,我们又通过实验对半导体激光一维阵列进行了光束整形,得到的实验结果为最大输出功率80W,快慢轴的光束参数乘积分别为BPPy=12mm·mradBPPx=11.2mm·mrad。这证明了该整形方法能够有效的改善半导体激光一维阵列的光束质量,实现快慢轴光束参数乘积的均匀化。
本文最后对光纤耦合技术进行了理论分析,根据耦合条件,整形后的光斑经过透镜聚焦后可以耦合进数值孔径为0.22光纤芯径为200μm的光纤中;同时对耦合光束与光纤的匹配问题进行了分析,对于高斯分布的光束为了使大于98%的能量都能耦合进光纤,光纤芯径应变为原来的1.4倍,而对于超高斯分布的光束,因其光纤芯径的取值满足耦合条件,因此它能将束腰半径对应的98%以上的能量都耦合进光纤。